Термическое оксидирование стали

Виды и способы оксидирования металла

Ни один материал, включая сталь, не может служить вечно. Его необходимо защищать от влаги, солнечных лучей и низких температур. Оксидирование металла создает на его поверхности тонкую защитную пленку, не позволяющую кислороду из воздуха и воде разрушать материал. При этом изменяются технические характеристики сталей, алюминия и его сплавов.

С точки зрения химии оксидирование – это реакция окисления металла и образование на поверхности тонкого слоя кристаллов, связанных кислородом и другими веществами. Технология нанесения защитного покрытия имеет несколько видов различной сложности. Самая простая использовалась несколько веков назад и доступна любому желающему покрыть защитной пленкой деталь в домашних условиях. Сложная технология требует специального оборудования и осуществляется только в условиях производства.

Суть и назначение технологии

В своей основе оксидирование стали имеет окислительно-восстановительную реакцию металла при его взаимодействии с кислородом воздуха, электролитом или специальными кислотно-щелочными растворами. В результате на поверхности детали образуется защитная пленка, повышающая технические характеристики металла:

• увеличивает твердость;
• снижает образование задиров;
• повышает способность деталей к прирабатыванию;
• увеличивает срок службы;
• создает декоративное покрытие.

Добавление в электролит растворов для окрашивания позволяет создавать изделия из металла с поверхностями разных цветов.

Покрытие оксидной пленкой применяют для различных материалов. В ювелирной промышленности и при создании бижутерии используют оксидирование многих металлов:

Сущность обработки – в увеличении прочности и придании дополнительной декоративности. Изделия из серебра хорошо держат форму. Это позволяет создавать украшения с острыми углами и тонким орнаментом. С помощью оксидов создается патина, имитирующая старину, и другие эффекты.

В зависимости от характеристик и свойств металла используют различные технологии создания сложных окислов на поверхности.

К положительным качествам оксидирования относится его распределение по поверхности тонкой пленкой в несколько микрон – тысячных долей миллиметра. При этом не меняются размеры деталей и посадочных мест сверху и на поверхности.

Виды оксидирования металла

Процесс оксидирования стали имеет несколько разновидностей:

К микродуговому относится способ нанесения оксидной пленки с помощью электролизной установки. Деталь помещается в ванну с электролитом. К ней подключается «+» постоянного тока. К ванне – провод с «–». При прохождении тока на поверхности образуются микроочаги с высокой температурой и давлением. В результате происходит окисление. Микродуговое оксидирование применяют для покрытия алюминия, серебра и их сплавов.

Процесс горячего оксидирования стали заключается в нагреве детали или раствора, в котором она находится, для ускорения процесса образования пленки сложных окислов.

К холодным технологиям относятся, в основном, методы химического покрытия и плазменного, когда поверхность насыщается кислородом под воздействием микротоков или в насыщенном растворе солей.

Химическое

Химическое оксидирование проводится погружением деталей в различные растворы. Низкотемпературный процесс покрытия осуществляют при температуре 30–180 °C. Сталь погружают в раствор щелочей или кислот с добавлением марганца. Затем, после извлечения из ванны, промасливают – смазывают маслом или на несколько секунд погружают в него деталь.

Электрохимическое покрытие оксидами проводится при низких температурах – до 100 °C. Электролит представляет собой раствор нескольких нитратов и хроматов. Получают черное покрытие стали.

Пищевая нержавейка содержит много легирующих веществ, включая хром и марганец. Она требует для покрытия сложного оборудования. В домашних условиях ее можно оксидировать в растворе натриевой селитры. Поверхность приобретает яркий синий цвет.

Анодное

Анодное оксидирование небольших деталей доступно делать в домашней мастерской. Для этого надо иметь аккумулятор или выпрямитель тока. Анод подключается к детали и источнику постоянного тока. При погружении стали в раствор слабокислого электролита возникает движение электронов, и вместе с ними частицы солей и кислот проникают в верхний слой металла. В результате образуются кристаллы железа со сложными окислами. Они постепенно покрывают всю поверхность детали слоем в несколько микрон.

Регулировать скорость процесса для образования оксидной пленки нужной толщины можно изменением силы тока и повышением температуры электролита. Анодирование влияет на первоначальные характеристики стали и цветных металлов:

• изменяет цвет;
• увеличивает прочность;
• пленка имеет низкую электропроводность;
• не допускает образования простых окислов железа – коррозии.

Термическое

Кто наблюдал за сваркой деталей или их нагревом в термопечах, видел на поверхности цвета побежалости: от желтого оттенка до синего тона, переходящего в черный. Они зависят от температуры, до которой нагрелась сталь в конкретной точке. Чем сильнее прогрет металл, тем больше он окислен, имеет более темный цвет.

Достаточно нагреть поверхность до 300 ⁰C, чтобы провести термическое оксидирование. На стали появится тонкая пленка окислов желтого и светло-коричневого цвета. Чем выше содержание легирующих веществ, тем сильнее надо греть сталь.

Часто нагрев используют для более активного протекания химического и анодного оксидирования стали. Помещенный в горячий раствор натриевой селитры или смеси кислот металл быстрее вступает в реакцию.

Плазменное

Метод холодного оксидирования – плазменное покрытие деталей. Окисление происходит при низкой температуре. Деталь помещают в плазму, которую создают токи ВЧ или СВЧ, аналогичные микроволновой печи. В камере высокое содержание кислорода.

Плазменное оксидирование применяют, в основном, для повышения светочувствительности и электропроводности деталей оптических приборов и плат.

Лазерное

Оксидировать деталь с помощью лазера можно только в условиях промышленного предприятия. Деталь устанавливается на столе или зажимается в патроне, набирается программа, и лазер прогревает узкие полоски одна возле другой по всей поверхности. Оптимальный вариант – использование станков ЧПУ.

Недостаток лазерного оксидирования сталей – в покрытии заготовок только снаружи. В отверстия малого диаметра головка лазерной установки не войдет.

Оксидирование своими руками

Делать защитное покрытие в домашних условиях проще всего по старинному рецепту. Для этого стальной предмет следует очистить от всех видов загрязнений, протравить в слабом растворе кислоты. Любое оставшееся пятно будет препятствовать процессу оксидирования стали.

1. Нагреть конструкционную сталь до 300 ⁰C. Легированные и углеродистые стали требуют более высоких температур. Чем больше легирующих элементов, тем сильнее следует греть.
2. Опустить горячую заготовку в льняное масло на 8–18 минут.
3. Для получения плотного слоя, надежно защищающего сталь от ржавчины, и создания изоляционного слоя, процедуру следует повторить 4–6 раз.

Каленые стали при нагреве до температуры выше 300 ⁰C могут отпуститься – стать мягче. Поэтому металл после закалки греют индуктором токами ТВЧ до 250–280 ⁰C. Если нет возможности нагреть только поверхность заготовки, температуру снижают до 220–250 °C, увеличив количество нагревов и погружений.

Льняное масло использовали в прошлые века. Сейчас его можно заменить веретенным, широко применяемым для закалки стали.

Оксидирование стали – интересный процесс. С его помощью можно самостоятельно защитить от коррозии небольшие изделия, крепеж в автомобиле и других устройствах.

Какой метод больше всего понравился нашим читателям и что они готовы применить на практике? Нам интересно ваше мнение.

Механизм химического оксидирования стали с промасливанием

Оксидирование стали производится термическим, химическим и электрохимическим методом. Химическое оксидирование стали сегодня можно разделить на два способа: холодное, горячее.

Горячее химическое оксидирование стали делается в щелочных и не щелочных составах.

Безщелочное химическое оксидирование стали производится при более низких температурах и за меньшее время.

Щелочное химическое оксидирование производится в смеси щелочи с окислителями. В результате оксидирования на стали образуется пленка магнитной окиси железа Fe3O4. Во втором случае используется раствор, состоящий из фосфорной кислоты и окислителей – азотнокислые соединения кальция или бария. Такое оксидное покрытие состоит уже из фосфатов и оксида железа.

Главной реакцией процесса химического оксидирования стали является взаимодействие стали со щелочью и окислителями. Растворяясь в горячем концентрированном щелочном растворе, железо дает соединение Na₂FeO₂. Под воздействием окислителей в растворе образуется соединение трехвалентного железа Na₂Fe₂O₄. Образующаяся при химическом оксидировании на поверхности металла оксидная пленка образуется по реакции:

Формирование пленки начинается с появления на поверхности оксидируемого металла кристаллических зародышей. По мере того как оксид покрывает металл, изолируя его от взаимодействия с раствором, уменьшается скорость растворения железа и формирования оксидной пленки. Скорость роста оксидного слоя и его толщина зависят от соотношения скоростей образования центров кристаллизации и роста отдельных кристаллов. При большой скорости образования зародышей кристаллов их количество на поверхности металла быстро растет, и кристаллы смыкаются, образуя тонкую сплошную пленку. Если скорость формирования зародышей при химическом оксидировании относительно невелика, то до того, как они соединятся, создаются благоприятные условия для их роста и получения оксидной пленки большой толщины.

При химическом оксидировании стали процесс образования оксидной пленки определяется условиями оксидирования. При большой концентрации в растворе окислителя возрастает скорость образования зародышей оксида и, следовательно, уменьшается толщина формирующейся оксидной пленки. При уменьшении концентрации окислителя в растворе химического оксидирования стали способствует росту толщины оксидной пленки, но в сильно концентрированных растворах на поверхности стали может выделяться рыхлый осадок гидроксида железа и защитные свойства оксидного покрытия уменьшаются.

Скорость растворения стали в растворе химического оксидирования зависит от химического состава стали и ее микроструктуры. Высокоуглеродистые стали оксидируются быстрее, чем малоуглеродистые. Поэтому при оксидировании малоуглеродистой стали применяются растворы с увеличенным содержанием щелочи. Состав стали оказывает влияние и на цвет оксидной пленки: на малоуглеродистых сталях она получается глубоко черного цвета, в то время как на высокоуглеродистых – черного с серым отливом.

Сегодня предпочтение часто отдается холодному химическому оксидированию. Составы для холодного химического оксидирования стали запатентованы и продаются в виде готовых, обычно двухкомпонентных, растворов.

Химическое оксидное покрытие без промасливания применяется редко ввиду низкой коррозионной стойкости. Промасливание обеспечивает улучшение антикоррозионных характеристик покрытия и более глубокий черный цвет.

Промасленное химическое оксидное покрытие на стали применяется для защиты деталей от коррозии, декоративной отделки, как антибликовое покрытие на инструменте.

Химическое оксидное покрытие на стали может использоваться как грунт под покраску.

Оксидирование стали – все способы нанесения защитного покрытия

Под оксидированием стали понимают процедуру создания на металлических поверхностях оксидной пленки. Данная операция проводится для образования декоративных и защитных покрытий, а также специальных диэлектрических слоев на стальных изделиях.

1 Особенности химического оксидирования

Интересующий нас процесс можно выполнить по нескольким технологиям. Оксидирование принято делить на:

• химическое;
• электрохимическое;
• термическое;
• плазменное.

При химическом оксидировании поверхность изделий обрабатывают расплавами либо растворами хроматов, нитратов и других окислителей, что увеличивает антикоррозионную защиту металла. Подобная процедура может выполняться посредством применения щелочных или кислотных композиций.

Химическое оксидирование щелочного типа выполняется при температурах от 30 до 180 градусов. Для него используют щелочи и небольшое количество окислителей. После обработки деталей щелочными соединениями их обязательно промывают (весьма тщательно), а затем просушивают. В некоторых случаях заготовки, прошедшие процедуру оксидирования, дополнительно промасливают.

Для кислотной операции обычно применяют композиции, состоящие из 2–3 кислот – соляной, ортофосфорной, азотной, в которые добавляют в незначительных объемах соединения марганца и другие соединения. Температура такого способа оксидирования варьируется в пределах 30–100 градусов. Используется он чаще всего для декорирования и защиты от коррозии ржавления.

Химическое оксидирование любого из двух описанных типов позволяет получать в производственных и в домашних условиях пленки с достаточно высокими защитными характеристиками. При этом электрохимическая процедура предохранения стали от коррозионных явлений считается более эффективной. Именно поэтому химическое оксидирование для стальных изделий используется реже, нежели электрохимическое.

2 Анодное оксидирование – что оно собой представляет?

Анодный процесс (именно так обычно называют оксидирование электрохимического вида) осуществляется в твердых либо жидких электролитах. Он обеспечивает высоконадежные пленки следующих типов:

• тонкослойные покрытия с толщиной от 0,1 до 0,4 микрометров;
• электроизоляционные и износостойкие слои толщиной от 2–3 до 300 микрометров;
• защитные покрытия от 0,3 до 15 микрометров;
• специальные эмалеподобные слои (именуются в среде специалистов эматаль-покрытиями).

При анодировании поверхность окисляемого изделия характеризуется положительным потенциалом. Такая процедура рекомендована для защиты элементов интегральных микросхем, создания на полупроводниковых материалах, сплавах и сталях диэлектрических покрытий. При желании анодирование можно выполнить в домашних условиях, но при четком и безоговорочном соблюдении стандартов техники безопасности, так как для операции используются агрессивные соединения.

Частным случаем анодирования считается методика микродугового оксидирования, которая позволяет получать уникальные покрытия с высокими декоративными, теплостойкими, защитными, изоляционными и антикоррозионными параметрами. Микродуговой процесс осуществляется под действием переменного или импульсного тока в электролитах, имеющих слабощелочной характер.

Рассматриваемый способ нанесения специальных слоев обеспечивает толщину покрытий на уровне 200–250 микрометров. После выполнения операции поверхность изделия внешне похоже на керамику. Микродуговое оксидирование при наличии оборудования нередко производят в домашних условиях. Во время процесса в воздух не выделяется каких-либо опасных для человека веществ. По этой причине микродуговая обработка становится все более популярной среди домашних мастеров.

3 Тонкости термического и плазменного оксидирования

Термический процесс подразумевает, что оксидная пленка формируется на стали в атмосфере водяного пара либо иной кислородсодержащей среде при достаточно высоких температурах. В домашних условиях такую операцию не выполняют, так как она требует использования специальных печей, в которых железо либо низколегированные стали нагревают примерно до 350 градусов.

Если же речь идет об обработке средне- и высоколегированных сталей, температура в печи и вовсе должна равняться 650–700 градусам. Общая длительность термического оксидирования, как правило, составляет около часа.

Практически нереально выполнить в домашних условиях и плазменное оксидирование. Оно производится в низкотемпературной плазме, содержащей кислород. Плазменная среда при этом создается обычно посредством ВЧ- и СВЧ-разрядов, реже применяются разряды постоянного тока. Качество получаемых защитных пленок оксидов при плазменном процессе очень высокое. Поэтому его применяют для нанесения покрытий на ответственные детали:

• кремниевые поверхности;
• полупроводниковые изделия;
• фотокатоды.

4 Как самостоятельно выполнить операцию?

Самый простой способ нанесения защитного покрытия на стальные изделия в домашних условиях не требует особых умений. При желании оксидирование своими руками может выполнить любой. Сначала деталь, которую планируется обработать, полируют либо зачищают. Затем с ее поверхности удаляют окислы (декапируют), используя для этих целей раствор (пятипроцентный) серной кислоты. Изделие помещают в него на 60 секунд.

После ванны с кислотой деталь необходимо промыть в теплой воде и подвергнуть ее пассивированию – пятиминутному кипячению, которое осуществляют в растворе водопроводной воды с 50 граммами обычного хозяйственного мыла (такое количество моющего средства рассчитано на один литр воды). Теперь поверхность полностью готова к оксидированию. Для реализации процедуры следует:

• взять эмалированную емкость, не имеющую царапин и сколов;
• налить в нее воду (один литр) и развести 50 граммов едкого натра;
• поместить емкость на плиту, положить в нее изделие и подогреть смесь до 140–150 градусов.

Через полтора часа деталь можно доставать – оксидирование успешно завершено!

Оксидирование металла

Процесс оксидирования применяют для создания декоративных и защитных покрытий на поверхности металла. Суть этого процесса заключается в образовании защитной пленки в результате окислительно-восстановительных химических реакций. Качество оксидирования металла можно грубо проверить «на глазок» и на ощупь. Если после оксидирования на изделии видны светлые пятна, или же при попытке протереть поверхность металла салфеткой или рукой пленка стирается, то налицо явное нарушение технологии оксидирования.

Существуют следующие разновидности оксидирования:
• Термическое;
• Химическое;
• Электрохимическое, которое еще называют анодным оксидированием;
• Плазменное.

При термическом оксидировании изделия подвергают нагреванию в присутствии кислорода или водяного пара. Одним из наиболее распространенных способов термического оксидирования является воронение низколегированных сталей и железа. Воронение производят при температуре до 350 °С. В настоящее время этот способ используют главным образом в качестве декоративной отделки. Легированные стали подвергают более сильному нагреванию (от 400 до 700 °С) на протяжении часа, а железоникелевые магнитные сплавы нагревают от 400 до 800 °С от получаса до полутора часов. Термическое оксидирование – неотъемлемый этап создания полупроводников, которые таким образом получают защиту (в виде диэлектрической пленки) от неблагоприятных внешних воздействий. Уже на протяжении трех десятков лет существует такая разновидность термического оксидирования, как термокомпрессионное. Оно применяется для кремниевых структур и осуществляется при повышенном давлении (до 107 Па) и температурах от 700 до 1200 °С.

Химическое оксидирование подразумевает использование растворов или расплавов различных окислителей (хроматов, нитратов, фторидов). В качестве примера можно привести химическое оксидирование алюминия. Трудоемкость этого метода значительно ниже, чем при анодировании, но и защитные свойства оксидной пленки тоже меньше. Процесс подготовки к химическому оксидированию состоит из следующих этапов: расконсервации; монтажа деталей на подвесках; химического обезжиривания; промывки в теплой и холодной проточной воде; травления в растворе едкого натра; отмывание в теплой и холодной водах; осветления в азотной кислоте; удаления азотной кислоты и ее солей промыванием в воде. Оксидирование алюминия химическим способом требует тщательного соблюдения технологических процессов, отклонение от которых (будь то даже незначительное изменение состава окислителей, или жесткая вода для промывки) приведет к созданию дефектов оксидной пленки. Химическое оксидирование черных металлов проводят при температуре от 30 до 100 °С с применением смесей из ортофосфорной (или азотной), соляной кислот с добавками Ca(NO3)2, Mn, а также в расплавах, состоящих из нитрата и нитрита натрия с добавлением оксида марганца (MnO2) при температурах от 250 до 300 °С. При использовании фосфорной кислоты цвет пленки получается темно-зеленый, а при использовании фторсиликатного раствора – золотистый (от желтоватого до коричневого).

Анодное оксидирование (электрохимическое оксидирование) требует применения жидких или твердых электролитов. Поверхность окисляемого металла имеет положительный заряд, то есть представляет собой анод, откуда и пошло название метода. Толстые оксидные слои получаются при использовании CrO3 и растворы серной кислоты. Для получения тонких пленок при электрохимическом оксидировании предпочтительно использование растворов Н3ВО3 и Н3РО4. Одним из наиболее перспективных видов электрохимического оксидирования является микродуговое оксидирование. При этом виде оксидирования применяется импульсный ток, в отличие от постоянного при анодном оксидировании. Напряжение доходит до 1000 В, что на порядок выше и используются не кислотные электролиты, а слабощелочные. Преимущества микродугового оксидирования перед анодным заключаются в большей экологичности электролитов, отсутствии необходимости предварительной подготовки поверхности изделия, в простоте технологии и компактности оборудования для оксидирования.